ターボポンプ用のシールは
クリーンルーム内で最終検査を実施

イーグル工業はメカニカルシール、すなわち金属製シールを主力とするメーカー。ゴム系に比べ、高温や低温など厳しい温度環境に強いことが特徴だ。ゴム系のオイルシールメーカーである日本オイルシール(現NOK、フレキシブルサーキットのメーカーでもある)がメカニカルシールの開発に着手したのが1956年。1964年には米国のシールメーカーであるシールオール社と合弁で日本シールオールを誕生させた。メカニカルシール部門の分離独立という形で生まれたこの会社こそイーグル工業の前身である。1978年に現在の社名に変更、その後米国との資本関係も解消し、現在はNOKのグループ会社である。

最大の顧客は自動車産業。エンジンやカーエアコンなどに使うメカニカルシールやベローズ、バルブなどを供給しており、世界シェアはウオーターポンプ用シールで65%、コントロールバルブで70%、リップシールに至っては90%を占める。石油化学産業では大型コンプレッサーに使うガスシール、プロセスポンプのメカニカルシール、エネルギー産業では発電機用ガスタービンや蒸気タービンに使われるシール群、半導体産業向けの真空シール、また船舶用のスクリューシャフトのシールなど、ありとあらゆる産業で不可欠な存在となっている。国内全体でのメカニカルシールのシェアは70%を占める。

一方、航空宇宙事業部は、売り上げの半分近くをジェットエンジン用から応用したブラシシールなど地上用ガスタービン向けが占める。それでもジェットエンジン用のシールは国内で生産する防衛省向けエンジンの100%に供給しており、国産ロケットのターボポンプシールもすべて同社が担っている。

航空宇宙事業部は、埼玉県坂戸市の埼玉事業場にある。ベローズなどの一部製品を除き、技術開発から、設計、製品製造までを同一事業場で行う。埼玉事業場の全従業員242人中、航空宇宙事業部の従業員は114人。このほか、東京、名古屋、神戸に数人ずつ航空宇宙事業部の営業部隊が常駐する。

宇宙用部品は汎用工作機械を多用するが、生産する個数が少ないため、同じ機械で同じものを作る続けることはなく、次々と製作するものが変わる。また、全数検査をはじめとした非常に厳しい品質管理体制を敷いていることも大きな特徴だ。特にチリを嫌うロケットエンジンのターボポンプ用シールは、専用のクリーンルーム内でクリーン洗浄や最終検査と保管を行う。

埼玉県坂戸市にあるイーグル工業の埼玉事業場。航空宇宙分野の製品の生産拠点だ。

宇宙用の部品は生産個数が少ないため、汎用の工作機械で製造する。左は研削盤、右は旋盤。

ブラシシールなど、複雑な形状のメカニカルシールはワイヤー放電加工機(後方の機械)で製造する。手前は加工した部品を検査しているところ。

ニッケル基合金やチタン合金製のシールケースは、真空炉で熱処理して強度を高める。

精密測定室。3次元測定機や画像測定機を用いて、完成した部品の寸法を高精度に測定する。年間を通して同じ温度と湿度に管理されている。

高速回転試験機。実機条件を模擬してメカニカルシールの検証試験や耐久試験を実施する。400℃までの高温環境と、最高5万rpmの速度で回転させることが可能だ。

ロケットエンジンのターボポンプ用シールは、クラス10万のクリーンルーム内で検査する。写真は荷重試験の様子。

溶接が必要な宇宙用部品は、わずかなチリでも溶接部に付着することは許されないため、クリーンルーム内で溶接する。この溶接機は自社開発したもの。

完成したターボポンプ用シールはクラス100のクリーンベンチに保管する。

生産個数の多い航空機のエンジン用シールの製造にはロボットも使用している。

シール材料の研究用にSEM(走査型電子顕微鏡、左)やEPMA(電子線マイクロアナライザー、右)といった分析装置も備えている。

航空宇宙事業部技術部の設計室。埼玉事業場には設計や製造、品質保証など、114人の航空宇宙事業部の従業員が勤務している。

航空宇宙事業部の主要メンバー。左から松本洋志副事業部長、井口徹哉技術部部長、中島正行製造部部長、村上昌也航空品証部部長。

イーグル工業株式会社

本社所在地 東京都港区
設立年 1964年
従業員数 4844人
売上高 962億円(連結、2012年3月期)
主な製造拠点 埼玉事業場(埼玉県坂戸市) 岡山事業場(岡山県高梁市)
主な製品 各種メカニカルシール、アクチュエーター・バルブ製品、金属ベローズなど
おこまで手がけた主な宇宙機器 液体ロケット「H-I」「H-II」「H-IIA/B」のエンジンのターボポンプに使用するメカニカルシールおよび高圧配管や燃料タンクに使用するスタティックシール データ中継衛星「こだま」や技術試験衛星「きく8号」などのニッケル水素電池のケース(圧力容器)および端子 ISS(国際宇宙ステーション)の「きぼう」日本実験棟のベローズアキュムレーター(蓄積器)
企業HP http://www.ekk.co.jp/

INTERVIEW

インタビュー

日本の液体ロケットエンジンの
メカニカルシールは
当社が供給しています

イーグル工業株式会社
航空宇宙事業部技術部長 井口 徹哉氏

御社はメカニカルシールの専業メーカーですが、まずメカニカルシールとはどんなものかを説明してもらえますか。

液体や気体を扱う機械は、圧力がかかったときに隙間があると漏れてしまいますよね。でも漏れては困る場合がほとんどなので、こういう場所の隙間をふさいで漏れを防ぐ必要があります。
 機械には回転する部品もありますね。船のスクリューシャフトなどがよい例です。水漏れを起こしては沈没です。しかし、だからと言って回転しているシャフトの隙間を詰めてしまったら回らなくなってしまいます。グランドパッキン(つめもの)を使うと回るようにはなっても、シャフトが摩耗してしまうでしょう。このようなところで摩耗も漏れも防ぐ部品がシールです。
 ざっくりとですが、ゴム製のものをリップシール、金属製のものをメカニカルシールと呼びます。ちなみに、配管の継ぎ目などに入れて、締め付けることで漏れを防ぐ部品をガスケットあるいはスタティックシールと呼びます。

回転軸回りの漏れ防止に使うのでしょうか。

そうですね。メカニカルシールには回転側と固定側があって対になっていますが、その間のごくわずかな隙間でシールしています。隙間は、厚さ0.5~2.5μmぐらいの液の膜で埋まっていて、このおかげで漏れを制限しながら、焼き付きもせず摩耗も進みません。ここの制御が生命線で弊社の技術力と言うわけです。
 金属製のメカニカルシールは、高温や低温でも使えるので、環境条件の厳しい様々なところに使われますが、特に過酷なロケットエンジンにもよく使われます。

ロケットエンジンのどこに使われているのでしょう?

なんと言ってもターボポンプです。ロケットエンジンのターボポンプの軸回りは、高圧で高速、しかも極低温と高温が同居する過酷な条件で、非常に高い技術が必要となります。
 日本は1964年から液体ロケットエンジンの研究をはじめ、燃料を過給するターボポンプの研究がNAL(航空宇宙技術研究所、現在はJAXAに統合)、三菱重工業、石川島播磨重工業(現IHI)の間で動き出し、1967年からターボポンプ用シールの開発もスタートしました。当社は、当時米国から高速回転用の溶接ベローズシールの技術導入を行っていたので、唯一対応できるシールメーカーとして設計と供給を行ったのです。
 1974年からは初の純国産ロケットエンジン「LE-5」の開発に先行して、液体水素のシール開発が始まります。ここからが本当の挑戦だったそうです。NALの宮川行雄先生の試験研究として供給した最初のシールは漏れ量が多くて「シールではない」とこっぴどく怒られたそうです。でも何年かして分かったのですが、先生の要求はとてつもなくレベルが高く、じゃじゃ漏れだと言われていたレベルは、NASA(米航空宇宙局)のレベルと同じだったそうです。それでもシール面がほとんど変形しない構造を考案し、NASAより2桁少ない漏れ量を達成しました。
 こうして「N」シリーズと「H-1」ロケットの第1段エンジン「MB-3」から現在の「H-IIA/B」の第1段エンジン「LE-7A」、第2段エンジン「LE-5B」に至るまで、一貫して日本の液体ロケットエンジンにメカニカルシールを供給しています。この間にも開発は続けられました。MB-3エンジンは米国のロケットダイン社の設計ですが、国産化のときに改良開発した設計が評価され、逆にこちらから国産のシールを販売するまでになりました。
 完成したと思った水素シールでは、その後シール面が振動して大量の水素が漏れる失敗も経験しました。原因は液体水素の粘度が空気と同じぐらいしかないことによるものでした。窮地の中で新しい制振構造を考え出し、世界に誇れる水素シールを完成させたのです。シール面の変形を少なくする構造や振動を制御する構造は、現在の最新のシール開発にも、より洗練されて応用されています。

それだけ高い技術を持っていると、海外のロケットメーカーからも引き合いが来るのではないですか?

ええ、海外展開も考えています。現在NASAが新しい有人ロケット「SLS」の開発を行なっています。その第2段エンジン向けに、米ロケットダイン社が「J-2X」というエンジンを開発していますが、J-2Xのターボポンプには当社がメカニカルシールを供給しています。MB-3の時のことを覚えているエンジニアがいてくれたのも大きな要因で、国内外のいろいろな方のご支援の賜物です。

ほかにはどんな宇宙向けの製品を出荷した実績があるのでしょう?

1990年代には東芝と共同で、人工衛星搭載用ニッケル水素電池のケースを開発しました。我々はコンマ数ミリの厚さの金属薄板を高精度で溶接する技術を持っているので、それをフルに活用したのです。

薄板の溶接技術はメカニカルシールとどう関係しているのですか?

ロケット用ターボポンプなどの高温や極低温で使われるメカニカルシールは溶接ベローズシールと言って、シール面にシール荷重を与えてシール面以外を完全に密封できる金属ベローズが使われています。ベローズは非常に薄いドーナツ状の金属板を内外径で交互に溶接して、蛇腹にしたものです。フレキシブルに曲げることができますので、配管の屈曲部に使ったり、振動を逃がしたりもできる部品ですね。この金属ベローズは、当社の主力製品にもなっていて、薄板の溶接技術は得意なわけです。
話を戻しますと、ニッケル水素電池のケースは、薄くて軽く、なおかつ充放電に伴って発生する内部の圧力サイクルに耐えなくてはなりません。最初は厚めの板をプレス加工した後で、表面を化学的に溶かして薄くしていたそうですが、それでは高コストだということで、当社に仕事が回ってきました。
まず薄板を一気に深絞りできる加工メーカーを見付け、そこが作ってきた部品を当社が溶接して組み上げることで、低コストで十分な強度と信頼性を持つニッケル水素電池のケースを完成させました。
このときの開発も一筋縄ではいきませんでした。内部のガス圧が10MPa近くにもなるため、高圧ガスの法律が適用となり、特殊設計のため特認申請という設計審査を受けねばなりませんでした。また、解析を進めると疲労強度が足りません。原因はケースの溶接部で内部の電池素子を保持する部品を同時に接合するため、容器の板厚に対してどうしても剛性が高く、応力集中することが原因でした。部品形状を工夫し、内部圧力の上昇に伴ってケース溶接部が均一に近い状態で膨らむようにし、発生応力の分散を実現しました。
データ中継衛星「こだま」や技術試験衛星「きく8号」など、2000年代初めの代表的な衛星に搭載されています。これがご縁で宇宙電池用の端子も製作しました。セラミックスと金属部品を特殊な方法で接合する技術で耐圧強度と絶縁強度の両方を実現しています。こちらはニッケル水素電池以外にも、三洋電機(現パナソニック)が製作したニッケル・カドミウム電池の端子として「13Ah」「35Ah」「50Ah」シリーズすべてに採用され、数多くの衛星に搭載されて打ち上げられました。現在は電池の主力がリチウムイオン電池に移ったので、いずれも生産を終了しています。

また、ISS(国際宇宙ステーション)の「きぼう」日本実験棟の環境制御系に、ベローズ型アキュムレーター(蓄積器)を開発し、供給しています。ISSの各モジュールは冷媒を循環させて温度を一定に保っています。冷媒配管の途中に入れて温度変化による冷媒の膨張を、金属ベローズで受け止める装置です。
 軌道上で10年間壊れてはいけないということと、有人のISSに接続するためNASAの要求仕様も適用になったことで、こちらも開発には大変苦労しました。きぼうの船外実験プラットフォームに取り付ける軌道上交換ユニットに必ず一つは装備するので、今後も注文を頂けると期待しています。

宇宙分野の今後の展望はいかがですか?

宇宙分野の売り上げは残念ながらわずかです。航空宇宙事業部の売り上げは、当社全体の4.6%ですが、その大部分が航空機のジェットエンジン向けと地上用のガスタービン関係ですので、宇宙分野は1%いくかいかないかといったところです。
とはいえ、宇宙は高い技術を獲得できる分野です。例えば宇宙分野で液体水素向けの部品を開発することで、当社は液体水素のリーク量をぎりぎりまで低減する技術を手に入れることができました。今後、民生用途で液体水素の利用が進めば、この技術には大きな可能性が出てきます。
またリクルートにも大きく貢献しています。当社はゴム系シールを主力とするメーカー、NOKグループ会社の1つで、新卒採用はグループ全体で行っています。技術系の学生の大半は航空宇宙分野を希望しているほどです。
それだけに、JAXAには基礎的な要素技術の開発にもっと資金を投じてほしいですね。それは、回り回って日本の機械産業全体を下支えする基礎体力となるはずです。(敬称略)

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